阀门现状、应用与发展

基础设施建设是我国经济建设的重点，给排水工程，特别是污水处理工程规模浩大，WTO业已进入，西部大开发业已启动，阀门市场前景一片大好。我国自来水事业虽然历史有近120年，比日本还早7年，但仍有很大的缺口，需要建设，现状是在我国700多个城市一半缺水，100个城市严重缺水。平均每年用水量将递增700万m3/d；特别是我国“九五”期间提出了治理环境污染的关键之一是污水处理，以治理三湖（太湖、巢湖、滇池）、三河为重点（淮海、辽河、海河），并同时要求全国 640个50万人口以上的县级市在2003年前全部至少建设一个城市一座污水处理厂，九五期间污水处理率25％，2010年要求达到46％，即1000座厂。目前全国仅在200余个地级市有污水处理厂，未来几年将在近400余个城市建污水处理厂。至2003年要投入1800亿治理城市污水，从2000年起每年要投入600亿元人民币，每年设备投资达200亿，阀门也占有不小的份额，一个中等污水处理厂大约需要阀门投资600-800万。除此之外，给水工程、水电、化工等行业需求量也是很大的。到2008年前，北京为承办奥运即投资1800个亿，其中大部用在基本建设，在基本建设中，用阀门的数量也将是可观的。上述情况仅为国内市场，进入WTO后，我们能见到的市场国内仅是一小块，更大的市场在国外，现在已进入全球化要充分利用我国阀门业的优势，积极走向世界经济的平台。分几个题目简述阀门在我国设计、生产现状、应用和发展的概况。
　　1　目前状况
　　改革开放后，随着我国经济建设的蓬勃发展，阀门行业也展现了欣欣向荣的生机。现在有几千家的大小阀门厂，尽管良莠不齐，但产品品种已达3000多个型号，近30000个规格。在密封性能、强度要求、调节功能、动作性能和流通性能，特别是密封性能，都有了长足的进步，倒退十年，城镇供水协会的权威人士有句行业名言说“十阀九漏”，虽然有些夸张，确实
　　不尽人意。例：1989 年9月—12月成都自来水公司进厂检测阀门145个，合格率72.5％，1996年检验917个合格率88.66％，由于检验手段限制，不能按国家标准验收，如严格按国家标准合格率就更低了，闸阀主要是密封性能差，蝶阀还有操作机构可靠性差等等，这种情况确有明显改进，现在球墨铸铢、树脂砂铸造工艺、奥氏体不锈钢阀轴、硬密封阀座、专用特殊阀
　　门品种、防腐喷涂涂料的应用，以及密封结构设计等技术、材质问题不少厂家已经掌握，有些（少数）厂家的一些产品已接近和达到国际先进水平，取代了进口产品，或出口国外，整体水平也在不断提高，和国外先进水平距离进一步缩小。但由于我国机械制造业整体水平不高，因此阀门质量还需进一步提高。
　　2　常用的阀门
　　在城市、建筑、企业给排水工程中，中低压阀门广泛应用，特别低压大口径阀门（低压阀门是指公称压力PN≤1.6MPa的阀门），而中压阀门（PN2.5-6.4MPa）较少，按原理和结构分类时（国际常用的方法）常用的阀门是蝶阀和闸阀，其他还是球阀、止回阀、排气阀、旋塞阀、隔膜阀、减压阀、调流阀、排泥阀等等。
　　2.1　闸阀的现状和发展
　　闸阀使用历史*久，至今世界各国仍在应用，特别是DN300mm以下，在各类阀门中仍占主导地位。按阀板形状又分平行闸阀和楔形闸阀，楔形闸阀在国际上使用比较普遍，其特征是阀板前后压差使阀板强制压在出口侧的阀座上，密封性较好，且全开时，由于阀板不留在流路上，压力损失小。用于要切断管道中介质。
　　其缺点是操作力矩大，操作时易使阀体、阀杆损坏，特别是大口闸阀。外形尺寸和重量也大，DN1000口径闸阀约3200mm高，需要四个人操作，所以闸阀一般适于小口径，即DN500以下使用。
　　闸阀从全开到中间开度，阀门的流阻较小，接近全闭时，流阻急剧增加。较大的范围内，流阻变化较小，在接近全闭时，流量变化较大，一定不要在阀门接近关闭时使用，这时很难进行流量的微调。阀门若开度极小，开口处的流速极快，会使闸板下侧产生气蚀，并伴有激烈的振动的噪声，长时间节流运转，往往会使阀体和闸板的金属发生气蚀。闸阀工况若处在中间开度，阀板因为是靠两侧的导轨支撑，全闭时配合紧密，而中间位置时，阀板与导轨间隙大而产生振动。因此，即使在气
　　蚀发生率较低的区域，长时间使阀门节流运转，导轨也会发生畸形、摩耗或损坏，且由于阀座不是全面接触，而接触部位表面压力很高，往往会产生咬蚀或粘连，因此，不宜用于流量控制。还要注意，闸阀在小开度时，流量变化大，如果对阀门紧急启闭，是造成压力急剧上升或产生负压，特别是关阀门时水锤时产生。
　　在金属密封闸阀基础上，近些年来开发了橡胶软密封闸阀，其特点是：
　　（1）阀体底部无凹处，流体通过截面呈直线状，不易堆积和夹杂异物。
　　（2）闸板密封面是压在阀体上进行止水的，关阀力矩小。
　　（3）不因配管的弯曲和拉伸而影响密封性能。
　　（4）整个阀板衬橡胶，耐腐蚀，不出锈水。
　　（5）阀门可在全开通水的同时更换密封材料和O型圈。
　　由于功能优越，国际上（特别在欧洲）需求量速增，软密封闸阀是30年前奥地利人发明，在欧洲每年生产50余万台，几乎100％使用，是硬密封闸阀的替代产品，其制造口径在欧日为DN500，美国一般用到DN400，而意大利可生产到DN1200.
　　2.2　蝶阀的现状和发展
　　30 年代，美国发明了蝶阀，50年代传入日本，到60年代才在日本普遍采用，而在我国推广则是70年代后的事了。目前世界上一般在DN300毫米以上蝶阀已逐渐代替了闸阀。蝶阀与闸阀相比有开闭时间短，操作为矩小，安装空间小和重量轻。以DN1000为例，蝶阀约2T，而闸阀约3.5T，且蝶阀易与各种驱动装置组合，有良好的耐久性和可靠性。
　　橡胶密封蝶阀缺点是作节流使用时，由于使用不当会产生气蚀，使橡胶座剥落、损伤等情况发生。为此，现在国际上又开发金属密封蝶阀，气蚀区减小，近几年我国也开发了金属密封蝶阀，在日本近年来还开发耐气蚀、低振动、低噪声的梳齿形蝶阀。
　　一般密封座的寿命在正常情况下，橡胶15年-20年，金属的80年-90年。但如何正确选用则要根据工况要求。
　　蝶阀的开度与流量之间的关系，基本上呈线性比例变化。如果用于控制流量，其流量特性与配管的流阻也有密切关系，如两条管道安装阀门口径、形式等全相同，而管道损失系数不同，阀门的流量差别也会很大。
　　如果阀门处于节流幅度较大状态，阀板的背面容易发生气蚀，有损坏阀门的可能，一般均在15°外使用。
　　蝶阀处于中开度时，阀体与蝶板前端形成的开口形状以阀轴为中心，两侧形成完成不同的状态，一侧的蝶板前端顺流水方向而动，另一侧逆流水方向而动，因此，一侧阀体与阀板形成似喷嘴形开口，另一侧类似节流孔形开口，喷嘴侧比节流侧流速快的多，而节流侧阀门下面会产生负压，往往会出现橡胶密封件脱落。
　　蝶阀操作力矩，因开度及阀门启闭方向不同其值各异，卧式蝶阀，特别是大口径阀，由于水深，阀轴上、下水头差所产生的力矩也不容忽视。另外，阀门进口侧装置弯头时，形成偏流，力矩会有增加。
　　阀门处于中间开度时，由于水流动力矩起作用，操作机构需要自锁。
　　如图表示蝶阀安装在管道中的流量特性，K是除蝶阀以外的全管道的损失系数，K为零时的特性是阀门固有特性，说明K值大时，如K为100，阀门即使关闭50％，也和全开时的流量一样。
　　2.3　排气阀的改进
　　旧式双孔排气阀由于排气能力小等原因，逐渐要被新型高速进排气阀代替。这种浮球型阀是北京市市政设计研究院在80 年代初研制成功，并通过鉴定，与此同时，日本也在差不多的时间研制成功。且我国自己研制的单孔口大、小孔排气阀，分别按一定的方式安装在管道上有消除管道水锤的作用。排气能力是旧式排气阀的几倍。该阀内部排气通道对称性要求很高，因此对安装有较高的要求，倾角不得大于1.5度。
　　2.4　多功能控制阀的开发
　　该阀是以管道本身介质压力作为动力源，进行启闭、调节，把前导阀及系统小管路不同组合，就能具有近30种功能，现在逐渐得到较普遍的使用。
　　先导阀靠作为控制对象的水位和压力的变化而动作，由于导阀种类很多，可以单独使用或几个组合使用，就可以使主阀获得对水位和水压及流量等进行单独或复合调节的功能。但主阀类似截止阀，阀门全开时，其压力损失比其他阀门要大得多，且各个开度损失系数越是与全闭接近，越是剧增，阀门口径越大就越显著。
　　具有上述特性的阀门，在接近全闭时，阀瓣的动作加速，易发生水锤（水的冲击压），接近全闭时，阀门动作越缓慢越好，于是可在阀瓣上设置节流机构。另外先导阀的节流和动作部分要尽量避免设置特小口径的孔口，以免堵塞。必要时要加滤网，定期检修及设置旁通管路。这种阀门发展、使用前景看好。
　　3　两个重要参数需要进一步加深认识
　　阀门的流量系数和气蚀系数是阀的重要参数，这在先进工业国家生产的阀门资料中一般均能提供，甚至在样本里也印出。我国生产的阀门基本上没有这方面资料，因为取得这方面的资料需要做实验才能提出，这是我国和世界先进水平的阀门差距的重要表现之一。
　　3.1　阀门的流量系数
　　阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大，说明流体流过阀门时的压力损失越小。
　　按KV值计算式
　　式中：KV—流量系数
　　Q—体积流量m3/h
　　ΔP—阀门的压力损失bar
　　P—流体密度kg/m3
　　3.2　阀门的气蚀系数
　　用气蚀系数δ值，来选定用作控制流量时，选择什么样的阀门结构型式。
　　式中：H1—阀后（出口）压力m
　　H2—大气压与其温度相对应的饱和蒸气压力之差m
　　ΔP—阀门前后的压差m
　　各种阀门由于构造不同，因此，允许的气蚀系数δ也不同。如图所示。如计算的气蚀系数大于容许气蚀系数，则说明可用，不会发生气蚀。如蝶阀容许气蚀系数为2.5，则：
　　如δ＞2.5，则不会发生气蚀。
　　当2.5＞δ＞1.5时，会发生轻微气蚀。
　　δ＜1.5时，产生振动。
　　δ＜0.5的情况继续使用时，则会损伤阀门和下游配管。
　　阀门的基本特性曲线和操作特性曲线，对阀门在什么时候发生气蚀是看不出来的，更指不出来在那个点上达到操作极限。通过上述计算则一目了然。所以产生气蚀，是因为液体加速流动过程中通过一段渐缩断面时，部分液体气化，产生的气泡随后在阀后开阔断面炸裂，其表现有三：
　　（1）发生噪声
　　（2）振动（严重时可造成基础和相关构筑物的破坏，产生疲劳断裂）
　　（3）对材料的破坏（对阀体和管道产生侵蚀）
　　再从上述计算中，不难看出产生气蚀和阀后压强H1有极大关系，加大H1显然会使情况改变，改善方法：
　　a.把阀门安装在管道较低点。
　　b.在阀门后管道上装孔板增加阻力。
　　c.阀门出口开放，直接蓄水池，使气泡炸裂的空间增大，气蚀减小。
　　综合上述四个方面的分析、探讨，归纳起来对闸阀、蝶阀主要特点和参数列表便于选用。
　　4　阀门标准必须重视
　　现在国务院成立了标准化管理委员会和标准局，标准化问题受到了国家的高度重视，是提高我国产品的重要手段，更是WTO进入的重要的应对措施。
　　目前我国已有国标1.9万余项，地方标准2.3万余项，企标8万余项。其中采用了国际标准的占43.5％，和国际标准等同等效的仅占25％.
　　阀门专业有国标约60项，行业标准180余项，不少的专用、特殊阀门尚没有国家或行业标准，急待制定。在标准制定方面，国家已制定了改革的方针政策，从管理体制、体系、运行机制和工作模式四方面着手。今后标准的制定要以企业为主、开放透明、广泛参与，增强企业领导和社会的广泛重视。
　　5　给排水工程用阀门应注意的几个问题
　　5.1 给排水工程常用的阀门和其他行业一样，以通用阀门为主，如蝶阀、闸阀、止回阀等，但也需要带有专业特点的专用阀门。如排气阀、缓闭止回阀、调流消能阀、控制阀、消防信号阀、停泵水锤消除阀（水锤消除器），防污染止回阀、消声阀等等。和国外比较，通用阀门的品种较齐全，但专用阀门品种差距较大需要填补。
　　5.2　用于给水工程阀门的内壁涂料必须是无毒，并经省以上卫生防疫监督部门认可的才能使用。
　　用于污水工程的阀门应是耐腐蚀不易堵塞的，而用于排泥则更有快速开闭直通道结构型式，如软密封闸阀；使用蝶阀时紧固螺栓应用奥氏体不锈钢，凸凹部分易挂住纤维，并宜卧装。
　　5.3　操作机构宜为蜗轮蜗杆传动，并设计为自锁，即分度园导角λ要小于轮齿间的当量摩擦角φ，而且齿面侧隙要小，不然头部晃动。
　　5.4　蝶阀进水管道上设置调节阀或装有水泵时不能离的太近，因为水流呈紊流状态时阀门会振动。
　　5.5　阀门前或后弯管太近时，因为受力不平衡，影响阀座的严密封性。
　　5.6　水泵吸水管宜装中线形蝶阀，安装偏心蝶阀时应卧装为好，不然双吸离心泵进水不平衡。
　　5.7　大口径蝶阀卧装时，扭矩要大0.2倍，配置阀门操作机构需注意。介质不净宜卧装，卧装时阀轴两端轴承受力条件好。
　　5.8　蝶阀作为调流阀使用时，15°开度内不宜使用，会产生振动和气蚀，闸阀在小开度时，关闭速度一定要慢，不然会产生关阀水锤。
　　5.9　闸阀与蝶阀主要性能参数列表供参考。